機(jī)器人觸覺交互研究

人類與外界的交互，包括認(rèn)知和改造兩個(gè)方面，前者是后者的前提。對于前者，認(rèn)知本質(zhì)上是對時(shí)空的直觀。具體說，任何一個(gè)外界的事物，都是時(shí)間和空間的具體形式體現(xiàn)----可以用一組時(shí)間空間參數(shù)描述。時(shí)空的無窮組合，也便造就了外界的多樣性。對于這些組合的認(rèn)知，人類有多個(gè)通道進(jìn)行直觀----視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。這種簡潔高效的直觀方式也導(dǎo)致了一個(gè)問題：一個(gè)人和一個(gè)事物之間在時(shí)空上存在一定距離，就無法做到多個(gè)通道同時(shí)直觀，以此限制了人對外界的認(rèn)知水平。目前，從成熟度看，對五種通道的研究大致有三個(gè)梯隊(duì)：視覺、聽覺為第一梯隊(duì)，我們的模仿已十分成熟----各類商業(yè)化的視聽產(chǎn)品；觸覺是第二梯隊(duì)，處于成長期；嗅覺、味覺，處于第三梯隊(duì)，該方面的研究相對較少。事實(shí)上有研究表明，觸覺是生物體最原始的感覺通道，甚至早于視覺功能進(jìn)化，直至今日，人類嬰兒探索世界的主要方式仍是觸覺行為。可見，觸覺研究落后的原因不是說不重要，而是不簡單。觸覺研究的困難存在于觸覺實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中：觸覺機(jī)理復(fù)雜、觸覺數(shù)據(jù)難以獲取、觸覺系統(tǒng)真再現(xiàn)實(shí)度低、觸覺應(yīng)用數(shù)量少。本文從觸覺感知機(jī)理、觸覺建模及渲染、觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)和展望四個(gè)方面展開論述。

1.觸覺感知機(jī)理

觸覺作為一個(gè)通道，其輸入是觸摸物體時(shí)觸覺感受器的空間變化、震動，其輸出是各類感覺，如硬度、形狀、粗糙度、紋理、彈性、濕度、黏性；其實(shí)現(xiàn)的方式是通過各種操作，如觸摸、按壓、拿捏、滑動[1]等。目前，關(guān)于人體觸覺感知較為成熟的是四通道理論，即人體對外界的觸覺感知由皮膚內(nèi)的4種機(jī)械式刺激感受器共同完成, 包括 Ruffini小體、Meissner小體、Merkel盤和Pacinian小體。4種觸摸感受器所在皮膚組織的位置和對觸覺刺激的響應(yīng)均不相同, 其中, Ruffini小體感知彈性,Meissner小體感知凸起邊緣, 物體外形、紋理造成的壓力及低頻的振動刺激一般由位于皮膚上皮層和真皮層之間的Merkel小體感知, 而高頻振動刺激則由皮膚最深處的Pacinian小體感知。

2.觸覺建模及渲染

此部分實(shí)際上是為了解決這兩個(gè)問題：1，如何獲得數(shù)據(jù)？2，如何對真實(shí)表面的感覺進(jìn)行描述和數(shù)學(xué)建模？

針對問題1，這里主要涉及兩個(gè)方面：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)壓縮。數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集主要是通過各種信號采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)，物體的結(jié)構(gòu)可以通過傳統(tǒng)的三維掃描識別和軟件來實(shí)現(xiàn)，但單純的幾何建模無法獲取像觸感等其他物理交互屬性。如清華大學(xué)孫富春教授團(tuán)隊(duì)研制的觸覺手套，可以采集人手的指尖與手掌操作過程的觸覺信息[2]。同時(shí)觸覺信號的采集往往包含位置、角度、速度、力等多維信息,因此, 在進(jìn)行觸覺再現(xiàn)的信號建模等處理之前, 需要對采集的原始觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮或降維。

針對問題2，目前建模渲染主要有兩種方式：基于觸覺數(shù)據(jù)和基于視覺數(shù)據(jù)�；�于觸覺數(shù)據(jù)：物體材質(zhì)的觸覺信息包括材質(zhì)的紋理輪廓、摩擦力、振動信號等, 觸覺再現(xiàn)即是模擬、重建材質(zhì)表面觸覺信息的過程�；�于真實(shí)的觸覺交互數(shù)據(jù)可以構(gòu)建物體表面的紋理或幾何輪廓模型, 或通過參數(shù)化建模等方式計(jì)算材質(zhì)表面的觸覺信號,實(shí)現(xiàn)虛擬物體表面的觸覺再現(xiàn)�；�于視覺數(shù)據(jù)：觸覺數(shù)據(jù)需要通過專門的采集設(shè)備進(jìn)行收集和處理, 數(shù)據(jù)獲取要求高, 目前得到的觸覺數(shù)據(jù)規(guī)模小。相比觸覺數(shù)據(jù)集, 自然圖像和紋理圖像有大量的公開數(shù)據(jù)集可以獲取, 這些圖像中往往包含豐富的視覺和觸覺特征�；�于圖像特征提取的觸覺再現(xiàn)從圖片的灰度、深度等信息獲取圖像中紋理表面的輪廓和特征, 將圖像幾何信息映射到觸覺信息后實(shí)現(xiàn)觸覺渲染。 

3.觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)

觸覺再現(xiàn)研究目的在于設(shè)計(jì)出優(yōu)異的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)以提高人機(jī)交互的效率，優(yōu)異主要體現(xiàn)在：真實(shí)的觸覺再現(xiàn)、高效的人機(jī)交互和豐富的感知體驗(yàn)。目前觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)按交互形式主要分為觸摸屏系統(tǒng)、觸覺筆系統(tǒng)、可穿戴系統(tǒng)、主動表面和空氣觸覺系統(tǒng)。如清華大學(xué)史元春教授團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)有觸覺圖形顯示器進(jìn)行交互技術(shù)和用戶體驗(yàn)的研究[3]。其從盲人觸覺這一應(yīng)用領(lǐng)域入手，對比目前主流的觸摸屏，通過實(shí)驗(yàn)分析了觸摸屏工作方式和點(diǎn)陣幅面對盲人交互體驗(yàn)的影響，最終得出了一套觸覺顯示器的交互體驗(yàn)原則：符合盲人用戶的自身認(rèn)知、合理使用隱喻、使用場景多樣, 以及成本控制。如在shadow靈巧手操控中，數(shù)據(jù)手套指尖穿戴振動器，將shadow靈巧手的觸覺反饋給人手，以此增加遙操作機(jī)器人的沉浸感。

4.展望

目前的觸覺再現(xiàn)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的真實(shí)感和交互性有限, 復(fù)雜感知機(jī)理和高開發(fā)成本增加了該領(lǐng)域的研究難度。面對觸覺再現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀, 結(jié)合觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用需求, 未來觸覺再現(xiàn)技術(shù)的突破發(fā)展有望從觸覺感知機(jī)理、觸覺數(shù)據(jù)建模、觸覺反饋系統(tǒng)和觸覺交互應(yīng)用幾個(gè)方向共同展開：

(1) 觸覺感知機(jī)理的深入思考

由于缺乏系統(tǒng)的方法和多項(xiàng)技術(shù)發(fā)展阻礙, 尚未有系統(tǒng)且完整的理論表述觸覺感知的各項(xiàng)影響因素。人體觸覺感知機(jī)制的研究需要綜合多門學(xué)科、從多個(gè)角度展開探索。

(2) 觸覺建模算法的不斷探索

觸覺感知會受到神經(jīng)生理組織、交互方式等多方面的影響, 準(zhǔn)確提取和記錄觸覺交互過程中相關(guān)參數(shù), 尋找并構(gòu)建更精確的觸覺計(jì)算模型, 有助于提高觸覺再現(xiàn)信號的準(zhǔn)確性和真實(shí)度。目前采集的真實(shí)觸覺數(shù)據(jù)量及其可反映的物體觸覺屬性有限, 而且數(shù)據(jù)在采集、建模、傳輸和再現(xiàn)過程中均有部分觸覺信息損失。未來在觸覺數(shù)據(jù)的提取和記錄方面, 需要設(shè)計(jì)低本、多維度的觸覺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 構(gòu)建統(tǒng)一的觸覺數(shù)據(jù)采集和處理標(biāo)準(zhǔn)；在增加觸覺數(shù)據(jù)采集數(shù)量和維度的基礎(chǔ)上, 提升觸覺信號傳輸速率和信息保真率, 降低觸覺數(shù)據(jù)處理和分析過程中的信息損失。在觸覺數(shù)據(jù)建模方面, 針對簡單數(shù)學(xué)模型無法準(zhǔn)確建模的觸覺信號, 基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)練 更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型, 能夠?qū)τ|覺數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的特征提取和建模處理; 此外, 針對觸覺技術(shù)研發(fā) 成本高的問題, 通過結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)建立和發(fā)布大規(guī)模開放式觸覺數(shù)據(jù)集, 能夠極大程度地促進(jìn)虛擬觸覺再現(xiàn)技術(shù)的飛躍。

(3) 觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

目前, 傳統(tǒng)的觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)正在向更多交互維度、更大操作空間等趨勢發(fā)展, 然而這些系統(tǒng)依然面臨著便攜性差、真實(shí)感弱、觸覺反饋強(qiáng)度有限、不同維度性能差異大等問題。開發(fā)基于移動終端及可穿戴式觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)、增加觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的觸覺信息將是觸覺再現(xiàn)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

(4) 觸覺交互應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展

由于觸覺反饋方式和系統(tǒng)的限制, 觸覺交互應(yīng)用開發(fā)成本高, 而觸覺交互系統(tǒng)的增強(qiáng)效果還停留在簡單的振動碰撞模擬, 觸覺再現(xiàn)技術(shù)帶來的交互體驗(yàn)和效率優(yōu)化價(jià)值難以評判。